Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG VĂN TỚI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI-2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG VĂN TỚI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử ,Truyền Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học : GS.TS Bạch Gia Dương HÀ NỘI-2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế hướng dẫn GS.TS Bạch Gia Dương Các số liệu luận văn chân thực dựa mô hình, kết đạt giới học hỏi rèn luyện thân chưa cơng bố hình thức trước trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ” Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Người cam đoan Đồng Văn Tới LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, trước hết tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS Bạch Gia Dương, thầy tận tình giúp đỡ, bảo, hướng dẫn giúp tơi có kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt thời gian học tập, nghiên cứu, làm luận văn Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Đại học Công Nghệ Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông, thầy cô trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, thầy nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em suốt trình học tập Xin cảm ơn thầy cô, anh chị Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông tạo điều kiện tốt giúp đỡ thời gian học tập làm luận văn Cuối cùng, muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè bên cạnh động viên giúp đỡ trình học tập trình làm luận văn tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng, thời gian có hạn vốn kiến thức cịn hạn chế nên q trình viết khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q thầy bạn để luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2019 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN 10 1.1 Truyền lượng không dây 10 1.1.1 Lịch sử hệ thống truyền lượng không dây[5] 10 1.1.2 Đặc điểm chung hệ thống 11 1.1.3 Mơ hình hệ thống truyền lượng không dây 11 1.2 1.3 Tổng hợp nghiên cứu phần phát WPT[12] 12 Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2] 13 1.4 Tổng hợp nghiên cứu Rectenna[9] 14 1.4.1 Rectenna 14 1.4.2 Các nghiên cứu rectenna 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 15 2.1 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần 15 2.1.1 Giới thiệu chung[4] 15 2.1.2 Các tham số 16 2.2 Giản đồ Smith 21 2.3 Kỹ thuật phối hợp trở kháng 28 2.3.1 Khái quát chung 28 2.3.2 Phối hợp trở kháng dùng phần từ tập trung 28 2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 31 2.3.4 Phối hợp trở kháng dùng đoạn phần tư bước sóng λ/4 31 2.4 Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2] 33 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỐI PHÁT-THU CỦA BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI 36 3.1 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khuếch đại đệm dùng chip SHF-0189 36 3.1.1 Chip cao tần SHF-0189[10] 36 3.1.2 Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0189 38 3.1.3 Chế tạo 43 3.1.4 Đo đạc kết nhận xét 43 3.2 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589 45 3.2.1 Chip cao tần SHF-0589[11] 45 3.2.2 Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0589 47 3.2.3 Chế tạo 52 3.2.4 Đo đạc kết 53 3.3 Thực ghép nối khuếch đại đệm khuếch đại công suất 54 3.4 Thiết kế anten mảng vi dải 56 3.4.1 Yêu cầu thiết kế 56 3.4.3 Mô anten 57 3.4.4 Kết mô 57 3.4.5 Chế tạo đo đạc anten 59 3.5 Nghiên cứu, thiết kế mạch chỉnh lưu Rectenna 61 3.5.1 Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch 61 3.6 Thử nghiệm truyền lượng không dây 63 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADS IEEE LCD MIT SPS VSWR WPT RF DC Advanced Design System Institute of Electrical and Electronics Engineers Liquid Crystal Display Massachusetts Institute of Technology Solar Power Satellite Voltage Standing Wave Ratio Wireless Power Transmission Radio Frequency Direct Current Viện kỹ nghệ Điện Điện tử Màn hình tinh thể lỏng Viện cơng nghệ Massachusetts Vệ tinh thu lượng mặt trời Hệ số sóng đứng điện áp Truyền lượng không dây Tần số vơ tuyến Dịng điện chiều DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE 15 Bảng 2: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải nhiều phần tử 56 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mơ hình hệ thống truyền lượng khơng dây 11 Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử Hình 2.1: Đường truyền sóng (a) mạch tương đương (b) 16 Hình 2.2: Sóng truyền đường truyền 17 Hình 2.3: Sóng đứng điện áp đường truyền khơng hao tổn có mắc tải đầu cuối 19 Hình 2.4: Sóng đứng dịng điện sóng đứng điện áp đường truyền khơng hao tổn có mắc tải đầu cuối 19 Hình 2.5: Các vịng trịn đẳng r mặt phẳng phức Γ 22 Hình 2.6: Các vịng trịn đẳng x mặt phẳng phức Γ 23 Hình 2.7: Các vòng tròn đẳng |Γ| đẳng S mặt phẳng phức Γ 24 Hình 2.8: Giản đồ Smith 26 Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao trở kháng tải đường truyền dẫn sóng 28 Hình 2.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L 29 Hình 2.11: Các sơ đồ phối hợp trở kháng kiểu L 30 Hình 2.12: Phối hợp trở kháng dùng đoạn phần tư bước sóng (l = λ/4) 32 Hình 2.13: Cấu tạo anten mạch dải 26 Hình 2.14: Ví dụ anten mảng vi dải phần tử 34 Hình 3.1: Sơ đồ chức chân chip SHF-0189 36 Hình 3.2: Bảng tham số S_Parameter chip SHF-0189 30 Hình 3.3: Biểu đồ Smith chip SHF-0189 37 Hình 3.4: Sơ đồ khuếch đại 38 Hình 3.5: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối vào đồ thị Smith 38 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mô mạch phối hợp trở kháng lối vào 39 Hình 3.7: Kết mô mạch phối hợp trở kháng lối vào tần số 2.45GHz 39 Hình 3.8: Mơ tả mạch phối hợp trở kháng lối đồ thị Smith 40 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mô mạch phối hợp trở kháng lối 40 Hình 3.10: Kết mô biểu diễn đồ thị Smith mạch phối hợp trở kháng lối tần số 2.45GHz 41 Hình 3.11: Sơ đồ mơ dùng file S2P khuếch đại 41 Hình 3.12: Kết mơ khuếch đại 42 Hình 3.13: Layout mạch khuếch đại dùng chip SHF-0189 42 Hình 3.14: Sản phẩm thực tế khuếch đại 43 Hình 3.15: Kết nối khuếch đại với máy đo 37 Hình 3.16: Kết tham số S21 máy phân tích mạng 46 Hình 3.17: Kết đo tham số S11 máy phân tích mạng 46 Hình 3.18: Sơ đồ chức chân Chip SHF-0589 47 Hình 3.19: Bảng tham số S chip SHF-0589 48 3.2.3 Chế tạo Hình 3.30: Sản phẩm thực tế khuếch đại cơng suất Hình 3.31: Kết nối khuếch đại cơng suất với máy đo 52 3.2.4 Đo đạc kết Hình 3.32: Kết đo tham số S21 máy phân tích mạng Hình 3.33: Kết đo tham số S11 máy phân tích mạng 53 Nhận xét: Bộ khuếch đại hoạt động tốt, khuếch đại tần số 2.45GHz với hệ số khuếch đại 7.5dB(điểm M1) băng thông mạch đạt từ 2.35GHz(điểm M2) đến 2.5GHz(điểm M3) (khoảng 150 MHz) Với kết này, mạch phù hợp với yêu cầu mạch khuếch đại công suất dùng cho ứng dụng truyền lượng khoảng cách gần 3.3 Thực ghép nối khuếch đại đệm khuếch đại công suất - Sau chế tạo thành công hai khuếch đại trên, ta tiến hành ghép khuếch đại tiến hành đo cơng suất lối Hình 3.34: Mơ đun khuếch đại 2W hoạt động tần số 2.45GHz - Kết đo đạc thực tế 54 Hình 3.35: Thực đo kiểm mô đun khuếch đại với máy phân tích phổ Hình 3.36: Kết đo mơ đun khuếch đại cơng suất máy phân tích phổ Nhận xét: Ta thấy sau ghép tầng, với biên độ tín hiệu lối vào 16dBm biên độ lối (qua suy hao -30dB) tương ứng 32.35 dBm (khoảng 1.7 Watt) Hệ số khuếch đại tổng cộng mô đun khoảng 16,3 dB 55 3.4 Thiết kế anten mảng vi dải 3.4.1 Yêu cầu thiết kế - Yêu cầu: thiết kế mảng anten vi dải với yêu cầu sau: Bảng 2: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải nhiều phần tử Ứng dụng Thu/phát lượng không dây Tần số trung tâm 2.45GHz Băng thông 70MHz Số mảng anten 8-16-32-64 lớn (Trong đề tài xem xét anten mảng với thông số liên quan) Độ rộng búp sóng ngang < 90 độ Độ rộng búp sóng dọc 20dB Trở kháng 50 Ohm Đầu nối anten Tối ưu Độ cách ly đầu >20dB nối Cơng suất cực đại 200W Kích thước giới hạn (sau 250mm x 150mm x 10mm đóng vỏ) - Phần mềm CST Microwave Studio dùng để mô thiết kế mẫu 56 anten Cải tiến tối ưu hóa để tìm mẫu mơ cho kết tốt 3.4.2 Mô anten - Sử dụng phần mềm CST STUDIO SUITE 2014 để mô Anten Hình 3.37: Mơ anten mảng vi dải phần tử phần mềm CST 3.4.3 Kết mô 57 Hình 3.38: Kết mơ tham số S11 anten Nhận xét: Từ biểu đồ ta thấy Anten đạt phối hợp trở kháng tốt tần số 2.45GHz có băng thơng đạt khoảng 60MHz (từ 2.42GHz đến 2.48GHz) 58 Hình 3.39: Giản đồ xạ đồ thị biểu diễn độ lợi (Gain) hướng tính anten 3.4.5 Chế tạo đo đạc anten - Sau mô thành công anten mảng vi dải nhiều phần tử, ta tiến hành chế tạo, gia công sản phẩm thực tế 59 Hình 3.40: Sản phẩm thực tế anten mảng vi dải phần tử Hình 3.41: Đo đạc anten mảng vi dải với máy phân tích mạng 60 Hình 3.42: Kết đo tham số S11 máy phân tích mạng Nhận xét: Từ hình ảnh kết quả, ta thấy Anten mảng vi dải đạt phối hợp trở kháng tốt 2.45GHz, giá trị S11 đạt -21dB(điểm M1) có băng thơng 10dB từ 2.36GHz(điểm M2) đến 2.53GHz(điểm M3) (khoảng 170MHz) Các kết đạt yêu cầu đặt phù hợp với ứng dụng truyền lượng khoảng cách gần 3.5 Nghiên cứu, thiết kế mạch chỉnh lưu rectenna 3.5.1 Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch - Để đảm bảo công suất thu từ anten truyền toàn vẹn đến chỉnh lưu, ta cần thiết kế thêm mạch phối hợp trở kháng đường truyền 61 Hình 3.43: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch Hình 3.44: Kết mô mạch nhân áp phối hợp trở kháng tần số 2.45GHz 62 Hình 3.45: Thiết kế layout mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng Hình 3.46: Sản phẩm thực tế mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng Nhận xét: Qua mô ta thấy mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng dùng đoạn dây chêm hở mạch hoạt động tốt tần số 2.45GHz với tham số phối hợp trở kháng S11 đạt -19dB Kết mô cho thấy với cơng suất tín hiệu lối vào 1,7W, điện áp chiều DC đo tải khoảng 5,2V, mơ đun sản phẩm có thiết kế nhỏ gọn, hoạt động tốt, tham số phù hợp với tiêu chí mạch chỉnh lưu dùng cho thu hệ thống truyền lương không giây dùng cho sạc điện thoại khoảng cách gần 3.6 Thử nghiệm truyền lượng không dây - Sau thiết kế, chế tạo thành phần hệ thống truyền lượng không dây bao gồm mạch khuếch đại anten phục vụ cho phía phát, 63 mạch rectenna chỉnh lưu cho phía thu, ta thử nghiệm hệ thống truyền lượng không dây thực tế khoảng cách gần mặt đất Mơ hình thử nghiệm hệ thống đưa hình 3.47 đây: Hình 3.47: Mơ hình thử nghiệm truyền lượng khơng dây - Các rectenna thử nghiệm sử dụng anten mảng vi dải nhiều phần tử 2x4 mạch chỉnh lưu siêu cao tần nhân áp phối hợp trở kháng kiểu dây chêm đơn hở mạch Như vậy, Rectenna thể giải pháp cơng lượng sóng siêu cao tần lối vào việc kết nối thành mảng thể giải pháp cộng lượng điện chiều DC lối ra, mảng rectenna kết nối theo mảng cấu trúc song song điện áp chiều lối cộng lại trước tiêu thụ tải 64 KẾT LUẬN Trong thời gian tìm hiểu nghiên cứu hướng dẫn tận tình GS.TS Bạch Gia Dương với nỗ lực, cố gắng thân, đến toàn nội dung luận văn hoàn thành, đáp ứng yêu cầu đặt thiết kế phát – thu lượng dùng sóng siêu cao tần khoảng cách gần dùng cho ứng dụng sạc điện thoại di động Quá trình thực luận văn giúp em tìm hiểu thiết kế mạch siêu cao tần, khó khăn triển khai ứng dụng siêu cao tần từ lý thuyết đến thực tế, có thêm nhiều kinh nghiệm kỹ làm việc quý báu Từ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở kháng, tìm hiểu anten mảng vi dải nhiều phần tử, nhận sóng – chỉnh lưu rectenna, luận văn đạt kết sau:  Tìm hiểu tổng quan truyền lượng không dây khoảng cách gần dùng sóng siêu cao tần  Nghiên cứu cấu trúc phát – thu lượng sóng siêu cao tần  Nghiên cứu tổng quát kỹ thuật siêu cao tần, tham số bản, nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng, kiến thức anten mảng vi dải nhiều phần tử  Chế tạo thành công mô đun khuếch đại công suất gồm khuếch đại đệm khuếch đại công suất với hệ số khuếch đại 16 dB hoạt động tần số 2.45GHz  Chế tạo thành công anten mảng vi dải nhiều phần tử với độ lợi 10dB phối hợp trở kháng tốt tần số 2.45GHz  Nghiên cứu, mô chế tạo mạch chỉnh lưu siêu cao tần có phối hợp trở kháng hoạt động tốt tần số 2.45GHz Do thời gian có hạn, luận văn chưa chạy thử nghiệm sạc nhiều để tối ưu hiệu mudule khuếch đại, nâng cao hiệu suất thu phát anten hiệu suất chuyển đổi RF-DC, mục tiêu định hướng phát triển luận văn tương lai 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt: [1] Đào Khắc An, Trần Mạnh Tuấn, Vấn đề an ninh lượng giải pháp khai thác lượng mặt trời từ vũ trụ truyền trái đất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2011 [2] GS.TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật ăng ten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [3] GS TSKH Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [4] Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang Kỹ thuật siêu cao tần, NXB ĐHQGHN, Hà Nội, 2013 [5] Đoàn Hữu Chức, Nghiên cứu giải pháp truyền lượng siêu cao tần phục vụ cho khai thác lượng mặt trời, luận án Tiến sĩ trường Đại học Công Nghệ, ĐHQG HN, 2017 Tài liệu tiếng anh: [6] David M.Pozar, Microwave Engineering 4th edition, John Wiley & Son, Inc, 2012 [7] Constantine A Balanis, Antenna Theory Analysis and Design rd edition, John Wiley & Son, Inc [8] Doan Huu Chuc, Bach Gia Dương, Design and Fabrication of Rectifying Antenna Circuit for Wireless Power Transmission System Operationg at ISM Band, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Website: [9] http://www.alldatasheet.com/ [10] https://en.wikipedia.org/ 66 ... theo hướng từ nguồn lượng đến tải tiêu thụ mà không cần dây dẫn[1] Truyền lượng không dây khác với truyền thông tin không dây viễn thơng (như Radio, TV, Radar,…) thơng tin phía máy phát có lớn... bị di động cầm tay khơng cịn phải q nặng pin không cần phải sạc pin ngày mà cấp điện trực tiếp sạc sử dụng tay người dùng Với tên đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nạp điện không dây cho. .. VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN 1.1 Truyền lượng không dây Định nghĩa: Truyền lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT(Wireless Power Transmitter) trình truyền lượng dạng